Физики обнаружили необычное квантовое состояние в топологическом материале
Хиральность, означающая несимметричность объекта относительно своего зеркального отображения, издавна вызывает интерес ученых-биологов, химиков и физиков. Такое свойство присуще объектам различной природы — от молекулярных соединений и аминокислот до сложных структур вроде ДНК-спиралей и спиральных рисунков на панцирях моллюсков.
Физики из Принстонского университета сделали удивительное открытие: они выявили скрытую хиральность в веществе, которое считалось абсолютно нейтральным с точки зрения данного признака. Эта находка внесла ясность в продолжавшиеся долгие годы дискуссии научного сообщества и углубила знания о возможных состояниях материи в квантовом мире, пишет Phys.org.
Нарушения симметрии, характерные для волнового распределения заряда в КВ₃Sb₅ — уникальном материале с решеткой кагомэ, — удалось зафиксировать с помощью новейшего метода визуализации — сканирующего фототокового микроскопа (SPCM). Хотя подобные феномены ранее замечали вне рамок топологии, настоящее открытие представляет собой первое наблюдение такой асимметрии непосредственно внутри топологического материала квантового уровня.
Кристаллическая сетка кагомэ известна своим оригинальным повторяющимся рисунком из пересекающихся равносторонних треугольников, вдохновленным традиционным японским орнаментом корзин из бамбука. Материал долго воспринимался учеными как чисто ахиральный, лишенный признаков хиральности. Но оказалось, что при определенных условиях материал КВ₃Sb₅ способен формировать необычную волну плотности заряда — периодическую модуляцию электронной плотности.
С помощью прибора SPCM удалось выяснить, что при комнатной температуре фототок реагировал одинаково на оба вида циркулярно-поляризованного света — правый и левый. Но при понижении температуры образца ниже критической отметки возник резкий дисбаланс: ток стал демонстрировать чувствительность исключительно к левой поляризации света, сигнализирующую о появлении хиральности. Это явление получило название «круговой фотогальванический эффект». Ученые последовательно освещали сетку сначала правой, а потом левой циркулярной поляризацией, замеряя возникающие токи. Разница между результатами оказалась очевидной и убедительной.
«Наши замеры ясно показали нарушение инверсионной и зеркальной симметрии, предоставляя ключ к пониманию природы изучаемого топологического материала, демонстрирующего зарядовый порядок. Эксперимент впервые доказал, что внутреннее состояние заряженности топологического материала носит хиральный характер», — заключают авторы исследования. Они отмечают, что природа наблюдаемого явления остается загадочной. Им удалось подтвердить сам факт существования хиральности, но пока нет теоретического обоснования, объясняющего причины его возникновения.
Ранее финские ученые сделали важный шаг к решению одной из самых сложных и давних задач в науке — объединению гравитации с другими фундаментальными силами природы. подробнее об этом написано в другом материале Hi-Tech Mail.
